计算机图形学02：交互式图形

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,第,2,讲：交互式图形处理系统,第二章：交互式图形处理系统,交互式图形系统组成,图形输入输出设备,虚拟现实技术,OpenGL,图形标准,1,交互式图形系统组成,Computer +,人,=,交互式,要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全,图形加速卡，大屏幕显示器,Personel,Computer,图形处理系统,workstation,图形处理系统,1,交互式图形系统组成,图形应用程序,图形子程序库,图形设备驱动程序,各种图形输入,/,输出设备,图形输入设备的发展,第一阶段：控制开关、穿孔纸等,2,图形输入设备,2,图形输入设备,图形输入设备的发展,第二阶段：键盘、光笔,图形输入设备的发展,第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等,2,图形输入设备,图形输入设备的发展,2,图形输入设备,图形输入设备的发展,第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等,2,图形输入设备,图形输出,(,显示、打印）设备,阴极射线管显示器（,CRT,）,液晶显示器（,LCD,）,绘图仪,打印机,3,图形输出设备,CRT,显示器分类,阴极射线管（,CRT,）（,Cathode Ray Tube,）,单色,CRT,彩色,CRT,阴极射线管,(CRT),组成,：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏,工作原理,：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。,结构,荧光屏,荧光物质：吸收电子束而发光,余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值,刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数,像素,(Pixel),：,构成屏幕（图像）的最小元素,分辨率,(Resolution),：,在假定 屏幕尺寸一定的情况下，可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如,640*480,，,800*600,，,1024*768,，,1280*1024,等等,某种,CRT,产生稳定图像所需要的最小刷新频率,=1,秒,/,荧光物质的持续发光时间（,Hz,）,彩色,CRT,渗透型,常用于随机扫描显示器,射线穿透法,多枪型,常用于光栅扫描显示器,影孔板法（阴罩法）,彩色阴极射线管,射线穿透法（,beam penetration,）,原理：,两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色,应用：,主要用于画线显示器,优点：,成本低,缺点：,只能产生有限几种颜色,影孔板法,原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,影孔板的类型,点状影孔板,代表：大多数球面与柱面显像管,栅格式影孔板,代表：,Sony,的,Trinitron,与,Mitsubishi,的,Diamondtron,显像管,沟槽式影孔板,代表：,LG,的,Flatron,显像管,点状影孔板工作原理,红、绿、兰三基色,三色荧光点（很小并充分靠近,-,像素）,三支电子枪,如果每支电子枪发出的电子束的强度有,256,个等级，则显示器能同时显示,256*,256,*,256,=16M,种颜色，称为真彩色系统,4,CRT,显示器分类,直视存储管式（,Direct-View Storage Tubes,）,利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的,CRT,，不必刷新,刷新式,随机扫描式（,Random-Scan,）,光栅扫描式（,Raster-Scan,）,随机扫描的显示系统,特点,数据表示：,矢量表示，只有端点信息，无线段中间点,扫描方式：,电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似,显示图形：,几何属性（,geometric attribute,）为主，线架图,优点：,扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好,缺点：,价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、,CAD,领域,光栅扫描的显示系统,特点：,数据表示：,像素矩阵,扫描方式：,从上到下，从左到右，与电视工作原理类似,显示图形：,几何属性,+,视觉属性（,Visual attribute,），真实感图形,显示器的分辨率,电子束按固定的扫描顺序扫描,N,条扫描线，每条扫描线有,M,个像素，,M * N,显示器的分辨率。,帧,逻辑部件：,帧缓冲存储器（,Frame Buffer),视频控制器（,Video Controller),显示处理器（,Display Processing,Uuit,，简称,DPU,）,CRT,绘图仪,printer,Computer,DPU,输入设备,视频控制器,display,帧缓冲存储器（,Frame Buffer),作用：存储屏幕上像素的颜色值,也称刷新存储器,(Refreshing Buffer),简称帧缓冲器，俗称,显存,帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同,单元与像素一一对应,各单元的数值决定了其对应像素的颜色。,显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。,位面（,bit plane,）技术,把显存分成若干,色平面,，各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像素点在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色。,色平面越多，可表达的色彩越丰富。,增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。,N,位寄存器,电子枪,CRT,光栅,有,N,个位面的帧缓存,2,N,DAC,0,1,0,0,0,1,02,N-1,灰度等级,寄存器,蓝色枪,帧缓存,DAC,0,0,0,1,CRT,光栅,0,1,DAC,DAC,红色枪,绿色枪,若有,24,个位面（每种基色,8,个位面）则可同时显示,(2,8,),3,=2,24,=16777216,种颜色（,24,位真彩色）。,红绿蓝三个位面，组合成,8,种颜色,增加一个亮度位面，形成,16,种颜色,红,绿,蓝,Black,0,0,0,Blue,0,0,1,Green,0,1,0,Cyan,0,1,1,Red,1,0,0,Magenta,1,0,1,Yellow,1,1,0,White,1,1,1,显存容量问题,分辨率,M*N,、,颜色个数,K,与,显存容量,V,的关系,显存容量问题,若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。,1024*768,真彩模式需要,3M,字节显存,高分辨率和真彩要求有大的显存；,解决方法：采用查色表,(Look-up Table,）,查色表（,LUT,）,是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，,它的长度由帧缓存单元的位数决定,目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有,大范围内挑选颜色的能力。,颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：,颜色值直接存储在帧缓存中。,把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，索引色。,单色系统：查色表固化,彩显：可修改、创建查色表。,视频控制器（显示控制器）,作用：,制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序,刷新,屏幕图形,显示处理器,显示处理器,Display Processing Unit,，简称,DPU,作用：,代替,CPU,完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等,光栅显示系统的特点,优点：,成本低,易于绘制填充图形,灰度和色彩丰富，图像逼真,可以和电视机兼容,刷新频率一定，与图形的复杂程度无关,缺点：,需要扫描转换,扫描转换速度偏低，交互操作响应慢,分辨率偏低，有阶梯效应,光栅显示设备,矢量输出设备,图形软件发展及软件标准形成,三种类型的计算机图形软件系统：,(1),用某种语言写成的子程序包,如,:,GKS,(Graphics Kernel System),PHIGS,(Programmer,s,Herarchical,Iuteractive,Graphics system ),GL,便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低,(2,）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能,如：,Turbo C,，,AutoLisp,等。,简练、紧凑、执行速度快，但不可移植,（,3,）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。,通用的、与设备无关的图形标准,GKS,(Graphics Kernel System),(,第一个官方标准，,1977),PHIGS,(Programmer,s,Herarchical,Iuteractive,Graphics system),一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准,DirectX (MS),Xlib,(X-Window,系统,),OpenGL (SGI),Adobe,公司,Postscript,开放式的三维图形软件包,OpenGL,OpenGL,是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在,SGI,等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以,SGI,的,GL,三维图形库为基础制定的一个,通用共享,的开放式三维图形标准。,目前，包括,Microsoft,、,SGI,、,IBM,、,SUN,、,HP,等大公司都采用了,OpenGL,做为,三维图形标准,，许多软件厂商也纷纷以,OpenGL,为基础开发出自己的产品。,其中比较著名的产品包括：动画制作软件,Softimage,和,3D Studio MAX,、仿真软件,Open Inventor,、,VR,软件,World Tool Kit,、,CAM,软件,ProEngineer,、,GIS,软件,ARC/INFO,等等。,OpenGL,的优越性,独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；,可与,Visual C+,紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；,使用简便，效率高。,OpenGL,图形库的功能,一共有,100,多个函数。其中核心函数有,115,个,除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如,Bezier,、,NURBS,等曲线或曲面）绘制函数。,基本几何变换和投影变换。,颜色模式设置,光照和材质设置,纹理映射功能,位图显示和图象增强 ：反走样,(,Antialiasing,),和雾,(fog),的特殊图象效果处理,双缓存,(Double Buffering),动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。,计算机图形学应用举例,计算机辅助设计与制造,CAD/CAM,；,图形化用户界面,GUI,；,地理信息系统,GIS,；,计算机动画,Animation,；,多媒体信息系统,MultiMedia,；,图形学在广电行业中的应用：,字幕机,CG: Character Generator.,虚拟演播室,Visual Studio,图形显示设备的发展,图形输入设备：,向量型图形输入设备；,数字化仪、鼠标器、光笔等。,光栅扫描型图形输入设备。,扫描仪、摄象机等。,图形输出设备：,向量型图形输出设备；,绘图机等。,光栅扫描型图形输出设备。,显示器、打印机等。,图形显示设备的发展,图形显示器的发展,图形显示器是计算机图形学中关键的设备,60,年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）,需要,刷新,。设备昂贵，不利于普及,60,年代后期：存储管式显示器,不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改 图形功能，不适合交互式,图形显示设备的发展,70,年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。,以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。,图形输入设备的发展,第一阶段：控制开关、穿孔纸等等,第二阶段：键盘,第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音,第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等,第五阶段：用户的思维,多媒体技术,音频压缩技术,视频压缩技术,计算机网络技术,光盘存储技术,数字媒体技术,计算机网络技术,人机交互技术,多媒体数据存储技术,流媒体技术,动画技术,计算机图形学,多媒体数据库技术,静态图象压缩技术,动画技术,？,主要应用领域,：,多媒体光盘,视频会议,数字电视,主要应用领域：,动漫,网络游戏,交互电视,最新的,数字媒体技术,的概念将视音频压缩技术也溶入其中，将当前新媒体技术包含进来，形成以音视频压缩、网络交互、动画和信息安全技术为基础的新的技术体系,。,由计算机图形学支撑的学科,CAD/CAM,计算机艺术,动画,矢量绘图,GIS,计算机图形学,电子游戏,虚拟现实,数字媒体,多媒体,图形,与,图像,计算机图形学,CG,数字图像处理,DIP,动画,计算机艺术,电子游戏,虚拟现实,数字媒体技术,模式识别,计算机视觉,图像压缩,图像重建,多媒体技术,图形与图像在电视技术中的应用,计算机图形学,CG,数字图象处理,DIP,字幕机,-,字符的渲染、,字幕的表现,虚拟演播室,-,虚拟场景,非线性编辑系统,-,图像压缩、,各种滤镜,计算机图形学的主要内容,图形几,何变换,基本图形,生成算法,图形的,显示,曲线和曲面,三维几,何造型,真实感,图形,一般的图形学内容,新增的图形学内容,动画,分形几何,计算机色彩,三维重建,Reference,Computer Graphics, Donald Hearn,中译本 蔡士杰 等,计算机图形学教程,，唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭等,最新,VC+,绘图程序设计技巧与实例教程,，刘静华 王永生,Thank You !,